CAN-FD 总线协议及其车载网络应用简介

自1986 年博世（Bosch）首次在SAE 国际大会上展示CAN（Controller Area Network，控制器域网络）通信方案以来，这种高速、可靠、易用的通信总线就一直被汽车产业所关注，并得到了绝大多数整车厂和零部件厂的支持。经过了20 多年的发展与沉淀，CAN 通信目前已经成为车载网络领域最成熟、应用最广泛的通信总线之一（CAN 的发展历程如图

1 所示）。

图1 CAN 通信方案的发展历程

CAN 总线通信的一些关键特性使其非常适合车载网络应用：
　　（1）差分信号可靠性高，抗干扰能力强，且通信介质选择灵活（双绞线、同轴电缆
　　或光纤）；
　　（2）通信速率最高可达1 Mbit/s（此时距离最长40 m）；
　　（3）采用多主通信模式，当总线空闲时，任意节点均可以主动向网络其他节点发送
　　信息；
　　（4）支持节点优先级设定，并采用非破坏性逐位仲裁规则解决潜在数据发送冲突；

（5）信息以广播式发送，所有节点都能接收到信息，保证网络内的数据一致性；
　　（6）支持完善的错误界定和处理机制，出错节点具有自动关闭退出总线的功能。
　　随着人们对汽车的智能化要求越来越高，汽车上装配的电子控制单元也越来越多，
　　CAN 总线通信也渐渐显现出来一些不足：
　　（1）最高数据传输速率限制为1 Mbit/s，车载领域实际使用速率最高为500 Kbit/s，无
　　法满足越来越高的数据吞吐量需求；
　　（2）每帧报文有效数据场为8 字节，仅占整帧报文信息不足50%；
　　（3）性能上难以应对Flexray、Ethernet 等新型车载总线的威胁。
　　市场对提升CAN 总线性能的强烈需求使CAN-FD（Flexible Data rate）应运而生，CANFD
　　发扬了CAN 的优点，并弥补了CAN 的不足，其主要特性如下：
　　（1）采用与CAN 通信相同的事件触发模式，软件容易开发和移植；
　　（2）最高数据传输速率达5Mbit/s，更好地满足要求高实时性、高数据传输速率的应
　　用；
　　（3）每帧报文有效数据场为64 字节，占整帧报文信息超过70%；
　　（4）相比Flexray、Ethernet 等新兴总线成本更低。
　　CAN-FD 的技术特点及应用领域
　　CAN-FD 通过改变帧结构和提高位速率等方法成功的把数据传输速率提高到了5Mbit/s，
　　其基本原理如图2 所示。CAN-FD 协议的帧结构如图3 所示。

图2 CAN-FD 传输的基本原理

图3 CAN-FD 协议的帧结构

　　诗讯半导体（Spansion）近期发布的Cortex-R5 系列汽车级MCU 产品全系列支持CANFD
　　总线通信。2014 年7 月，诗讯半导体正式发布了集成CAN-FD 控制器的ARM Cortex-R5
　　S6J3310系列产品。该产品的关键特性包括：ARM Cortex-R5 高性能32 位内核，主频高达
　　144 MHz；最高集成2 路CAN-FD 通信，每路数据传输速率达5 Mbit/s；支持SHE（Secure
　　Hardware Extension）加密功能；支持更新的低功耗功能，如部分唤醒等；支持AutoSAR。
　　图4 展示了S6J3110 评估板的CAN-FD 的技术特点和帧结构的实测波形。

图4 S6J3110 评估板的CAN-FD 的技术特点和帧结构的实测波形

CAN-FD 的主要应用领域包括：
　　（1）EOL（End-Of-Line）程序烧写：CAN 数据传输速率为500 Kbit/s；CAN-FD 数据传
　　输速率为5 Mbit/s，约10 倍于CAN 传输速率。
　　（2）动力、底盘和安全系统，以及身份认证：数据场支持长达64 字节，避免数据非
　　必要的拆分。
　　（3）网关：提高网络数据传输速率达5 Mbit/s，提高了有效数据负载率。
　　CAN-FD 的设备、工具厂商
　　在车载应用领域，目前已有多家设备、工具厂商支持CAN-FD 总线协议，如维克多
　　（Vector）、罗德与施瓦茨（R&S）和周立功（ZLG）等。
　　国外厂商以维克多为代表，其在工具体系的完整性方面更为领先。Vector 的工具体系
　　完整的支持CAN-FD 的开发、测试、网络分析等全部功能。另外，其GL 系列总线记录仪也
　　将在不远的将来支持CAN-FD 协议。
　　国内厂商以周立功为代表，其最新推出的四通道ZDS2024 示波器可以很好的支持
　　CAN-FD 协议，其关键特性包括：支持4 通道、模拟带宽高达200MHz、采样率每通道均为
　　1GSa/s、21 种协议触发及解码、51 种参数测量及24 种参数同时测量统计。